灯丝从冷却状态到受热发光为什么几乎在瞬间完成

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  sunny810613 2013-11-01 00:00:00

  　　这里的理解需要改一下。 　　情况发生变化都有过程的，也就是肯定要花一定的时间，不可能立刻变成新的情况。人感觉上认为灯刚被接通了电源就正常地亮而且已经稳定了，那主要是有两个因素造成的。 　　一、从通过的电流的强度方面说，灯丝太细小了。 　　灯丝是固体的钨拉成的丝，很细。物质的温度要升高，必须给它加热，单位时间内输入的热量一定时，温度变化的规律由物质本身的比热和辐射特性决定。比热的问题不展开说了，具体请查比热的资料了解。这里只说对于灯泡里的钨丝，比热可以理解成是不变的（其实不同温度时就不一样，但是变也不太离谱），每单位热量输入，钨丝的质量不变，温度升高的程度也不变，要想让它温度更高，就只有多输入些热量。（就像加热水，水的比热在日常应用中可以看作液态时近似不变，对1克的水，每输入一卡热量，温度升高1摄氏度，要得到100摄氏度的水，就要输入 100卡热量。）我们在灯泡里放钨丝，就是想让它温度高得发光，所以就设计在一定的钨丝电阻值的时候，给它通上足够强度的电流而发热，既不会热得熔化汽化（烧坏），又热得发出大量可见光（照明）。那么就可以不管实际单位时间内输入的热量有多少，反正知道肯定被设计成加热速度很高。高速加热本来不是故意的，是钨丝被加热后不但温度升高了，而且会在高温下辐射电磁波，规律是温度越高，辐射功率就越高（具体请查黑体辐射的资料），辐射就是散热的一种形式，会让热能散失，温度就降低，辐射功率也降低，而且需要的可见光部分就更少。所以为了使用灯泡，我们就必须给钨丝连续通电，不断输入热能，以便补偿钨丝辐射造成的能量损失，一进一出，通过的电流强度不变，输入的热量和损失的热量相抵，钨丝温度就保持稳定了。在温度稳定之前，钨丝就是被迅速加热，温度从室温迅速升到几千摄氏度，过程时间很短（具体数值没有查，感兴趣的话请自己找一下资料吧）。 　　二、从时间分辨能力说，人的意识反应太差了。 　　钨丝从不辐射可见光的室温状态迅速升温到辐射强烈可见光的正常工作状态，历时很短，而这个过程，人眼实际经历了钨丝从不辐射可见光（不讨论反射可见光的细节了）到开始辐射微弱红色可见光，再辐射较弱红色可见光、较强橙红色可见光、较强橙色可见光......很强白色可见光的逐渐升温全过程。但是，人的脑部处理视觉信号形成意识分辨过程中不同情况的能力有限，不能分辨这样短时的变化细节，能意识到的情况只是还没有开始辐射可见光的不亮钨丝，和已经强烈辐射可见光的刺眼钨丝，就形成了钨丝“刚通电就大亮”的错觉。 　　如果有个无级调亮度的台灯，可以拿来试验一下，就知道了——慢慢增大电流强度，让灯泡钨丝慢慢升温，可以感觉得出钨丝先微微发红光，然后逐渐变色变亮，Z后炫目得无法看清钨丝形状，这就是台灯旋钮下的可调电阻控制了钨丝的电流强度变化，不让电流迅速增大，人就可以分辨出钨丝升温到正常工作状态的过程细节了。 　　拉线开关控制的灯泡就不能故意控制电流强度变化的快慢了，开关里有弹簧，让电路要么断开，要么就非常快地接通，一接通就让钨丝飞快通过很大电流，于是飞快发热飞快升温，人还来不及分辨，就已经强烈发光了。 　　只通较小电流的特例可以在雷雨夜试验。闪电时，辐射的电磁波会让不工作的钨丝产生感应电流而升温发光。但是电流跟照明电路比就小多了，基本只能让钨丝加热到几百摄氏度，发出暗弱的可见光，这时候人眼对光线明暗变化的适应特点就明显了——可以察觉出钨丝从比较高温和比较亮向比较低温几乎不亮的“缓慢”变化过程。可是正常关灯怎么难发现这种亮度减弱过程呢? 主要是人眼刚适应明亮的可见光环境，不能迅速适应很暗环境，不容易分辨钨丝在断电后的降温变暗细节（指关灯瞬间才看钨丝时）。如果看着钨丝才关灯，就更不能分辨了——人眼的视觉暂留现象让视野中还呈现高亮的图像，哪里能够马上观察到暗暗发光的钨丝呢。 　　总之，灯泡里的钨丝有个升温过程，只是过程很短，人眼观察难意识到过程的存在。 　　另有两个方面需要考虑： 　　灯丝在冷态时电阻很小，电流很大，因此，启动功率远大于灯泡的标称功率，再加上灯丝的热惯性（比热容）很小，所以温度上升很快。 　　灯丝在升温的过程中辐射功率上升很快，几乎是瞬间就可以达到输入和输出功率的平衡。 　　diyi，启动电流远大于正常电流。用万用表测冷灯泡的电阻，即知启动功率远大于标定功率。第二，灯丝缺陷。 　　灯丝的制造缺陷是问题的关键。如果灯丝各处的粗细和材质非常均匀，灯丝的寿命与开关次数就没有关系，但是，灯丝会在某些部位有缺陷，比如 “砂眼”或微小裂纹，这些部位在启动时就会率先升温，温度越高的地方，电阻越高，压降向这些地方集中。所以，启动的过程中，缺陷点的温度要高于平衡以后的温度。而灯丝的“蒸发”速度与温度是强相关关系，这就造成如下过程：缺陷造成功率集中，功率集中造成蒸发集中，蒸发集中造成更大的缺陷，如此恶性循环。温度越高，钨的金相结构越容易变化（金相资料介绍的），破坏原有机械状态；而且温度越高钨丝挥发越快，造成钨丝变细，电阻和机械强度都变化（用久的灯泡玻璃发黑，就是钨挥发转移到冷处了；有些灯泡充碘，反应成碘化钨运回高温区分解，补充回去，延长寿命）。某处钨丝太细了，就造成电流强度分配的异常，细处电流趋大，温度更高，挥发更严重，恶性循环，Z后升温达到熔点（一般不会工作时断的原因忘记了，大概是电学的原因让钨丝坚持到关灯）。 　　你可能会问，在平衡以后不是也有这个问题吗，为什么开关会更危险？是的，平衡以后也有这个问题，所以灯泡寿命与灯丝缺陷密切相关。但是，在启动时的功率远大于平衡以后的功率，所以功率集中就会极其危险。对于电气工程说的浪涌电流造成的冲击，一旦电路没有一种保护装置（忘记术语了，大型电机必备，阻止电流强度过快增大，防止启动电流烧毁电机），那么瞬间电流强度就会大于额定值，升温太高了，不但熔化，而且气化。你应该有这样的经验，几乎灯丝总是在开灯时损坏，很少遇到点亮以后突然损坏的。 　　路灯的灯泡有用了两三年也不坏的，那是故意两个串联，让它电流比额定值小，暗是暗点，照楼道而已；还有些是故意加个二极管整流，效果近似吧。

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